1. Pregled laserske industrije
(1) Uvod u laser
Laser (Pojačavanje svjetlosti stimuliranom emisijom zračenja, skraćeno LASER) je kolimirani, monokromatski, koherentni, usmjereni snop svjetlosti proizveden pojačavanjem svjetlosnog zračenja na uskoj frekvenciji putem pobuđene povratne rezonancije i zračenja.
Laserska tehnologija nastala je početkom 1960-ih, i zbog svoje potpuno drugačije prirode od obične svjetlosti, laser je ubrzo široko korišten u raznim oblastima i duboko je utjecao na razvoj i transformaciju nauke, tehnologije, ekonomije i društva.
Rođenje lasera dramatično je promijenilo lice drevne optike, proširujući klasičnu optičku fiziku u novu visokotehnološku disciplinu koja obuhvata i klasičnu optiku i modernu fotoniku, dajući nezamjenjiv doprinos razvoju ljudske ekonomije i društva. Istraživanje laserske fizike doprinijelo je procvatu dvije glavne grane moderne fotonske fizike: energetske fotonike i informacione fotonike. Obuhvata nelinearnu optiku, kvantnu optiku, kvantno računarstvo, lasersko očitavanje i komunikaciju, fiziku laserske plazme, lasersku hemiju, lasersku biologiju, lasersku medicinu, ultrapreciznu lasersku spektroskopiju i metrologiju, lasersku atomsku fiziku uključujući lasersko hlađenje i istraživanje Bose-Einsteinove kondenzovane materije, laserske funkcionalne materijale, proizvodnju lasera, izradu laserskih mikro-optoelektronskih čipova, lasersko 3D štampanje i više od 20 međunarodnih graničnih disciplina i tehnoloških primjena. Odsjek za lasersku nauku i tehnologiju (DSL) osnovan je u sljedećim oblastima.
U industriji laserske proizvodnje, svijet je ušao u eru "lake proizvodnje", prema međunarodnoj statistici laserske industrije, 50% godišnjeg BDP-a Sjedinjenih Američkih Država1 povezano je s brzim širenjem tržišta visokokvalitetnih laserskih primjena. Nekoliko razvijenih zemalja, koje predstavljaju Sjedinjene Američke Države, Njemačka i Japan, u osnovi su završile zamjenu tradicionalnih procesa laserskom obradom u glavnim proizvodnim industrijama kao što su automobilska i avijacija. Laser u industrijskoj proizvodnji pokazao je veliki potencijal za jeftine, visokokvalitetne, visokoefikasne i specijalne proizvodne primjene koje se ne mogu postići konvencionalnom proizvodnjom, te je postao važan pokretač konkurencije i inovacija među glavnim industrijskim zemljama svijeta. Zemlje aktivno podržavaju lasersku tehnologiju kao jednu od svojih najvažnijih vrhunskih tehnologija i razvile su nacionalne planove razvoja laserske industrije.
(2)LaserIzvor Pprincip
Laser je uređaj koji koristi pobuđeno zračenje za proizvodnju vidljive ili nevidljive svjetlosti, sa složenom strukturom i visokim tehničkim barijerama. Optički sistem se uglavnom sastoji od izvora pumpe (izvor pobuđivanja), medija pojačanja (radna supstanca) i rezonantne šupljine i drugih materijala optičkog uređaja. Medij pojačanja je izvor generisanja fotona, a apsorpcijom energije koju generiše izvor pumpe, medij pojačanja prelazi iz osnovnog stanja u pobuđeno stanje. Pošto je pobuđeno stanje nestabilno, u ovom trenutku medij pojačanja će osloboditi energiju i vratiti se u stabilno stanje osnovnog stanja. U ovom procesu oslobađanja energije, medij pojačanja proizvodi fotone, a ovi fotoni imaju visok stepen konzistentnosti u energiji, talasnoj dužini i smjeru, oni se stalno reflektuju u optičkoj rezonantnoj šupljini, recipročno se kreću, tako da kontinuirano pojačavaju i konačno izbacuju laser kroz reflektor kako bi formirali laserski snop. Kao osnovni optički sistem terminalne opreme, performanse lasera često direktno određuju kvalitet i snagu izlaznog snopa laserske opreme, što je osnovna komponenta terminalne laserske opreme.
Izvor pumpe (izvor pobude) obezbjeđuje energetsko pobuđivanje medija za pojačanje. Medij za pojačanje se pobuđuje da proizvodi fotone za generisanje i pojačavanje lasera. Rezonantna šupljina je mjesto gdje se regulišu karakteristike fotona (frekvencija, faza i smjer rada) kako bi se dobio visokokvalitetni izlazni izvor svjetlosti kontrolisanjem oscilacija fotona u šupljini. Izvor pumpe (izvor pobude) obezbjeđuje energetsko pobuđivanje medija za pojačanje. Medij za pojačanje se pobuđuje da proizvodi fotone za generisanje i pojačavanje lasera. Rezonantna šupljina je mjesto gdje se karakteristike fotona (frekvencija, faza i smjer rada) podešavaju kako bi se dobio visokokvalitetni izlazni izvor svjetlosti kontrolisanjem oscilacija fotona u šupljini.
(3)Klasifikacija laserskog izvora
Laserski izvor se može klasificirati prema mediju za pojačanje, izlaznoj talasnoj dužini, načinu rada i načinu pumpanja, na sljedeći način
① Klasifikacija prema pojačanju medija
Prema različitim medijima pojačanja, laseri se mogu podijeliti na lasere u čvrstom stanju (uključujući čvrste, poluprovodničke, vlaknaste, hibridne), tečne lasere, gasne lasere itd.
| LaserIzvorTip | Gain Media | Glavne karakteristike |
| Izvor lasera u čvrstom stanju | Čvrsta tijela, poluprovodnici, optička vlakna, hibridi | Dobra stabilnost, velika snaga, niski troškovi održavanja, pogodno za industrijalizaciju |
| Izvor tekućeg lasera | Hemijske tečnosti | Opcioni raspon valnih duljina pogođen, ali velika veličina i visoki troškovi održavanja |
| Izvor plinskog lasera | Plinovi | Visokokvalitetni laserski izvor svjetlosti, ali veća veličina i viši troškovi održavanja |
| Izvor slobodnog elektronskog lasera | Elektronski snop u specifičnom magnetskom polju | Moguće je postići ultra-visoku snagu i visokokvalitetni laserski izlaz, ali su tehnologija proizvodnje i troškovi proizvodnje vrlo visoki. |
Zbog dobre stabilnosti, velike snage i niskih troškova održavanja, primjena lasera u čvrstom stanju ima apsolutnu prednost.
Među laserima u čvrstom stanju, poluprovodnički laseri imaju prednosti visoke efikasnosti, male veličine, dugog vijeka trajanja, niske potrošnje energije itd. S jedne strane, mogu se direktno primijeniti kao glavni izvor svjetlosti i podrška za lasersku obradu, medicinu, komunikaciju, senzore, prikaz, praćenje i odbrambene primjene, te su postali važna osnova za razvoj moderne laserske tehnologije sa strateškim razvojnim značajem.
S druge strane, poluprovodnički laseri se također mogu koristiti kao osnovni izvor svjetlosti za druge lasere, kao što su laseri u čvrstom stanju i vlaknasti laseri, što uveliko promovira tehnološki napredak cijelog laserskog polja. Sve glavne razvijene zemlje svijeta uključile su ga u svoje nacionalne planove razvoja, pružajući snažnu podršku i postižući brzi razvoj.
② Prema metodi pumpanja
Laseri se prema metodi pumpanja mogu podijeliti na električno pumpane, optički pumpane, hemijski pumpane lasere itd.
Električno pumpani laseri odnose se na lasere koji se pobuđuju strujom, gasni laseri se uglavnom pobuđuju gasnim pražnjenjem, dok se poluprovodnički laseri uglavnom pobuđuju ubrizgavanjem struje.
Gotovo svi laseri u čvrstom stanju i tečni laseri su optički pumpni laseri, a poluprovodnički laseri se koriste kao osnovni pumpni izvor za optičke pumpne lasere.
Hemijski pumpani laseri odnose se na lasere koji koriste energiju oslobođenu hemijskim reakcijama za pobuđivanje radnog materijala.
③Klasifikacija prema načinu rada
Laseri se prema načinu rada mogu podijeliti na kontinuirane lasere i pulsne lasere.
Kontinuirani laseri imaju stabilnu raspodjelu broja čestica na svakom energetskom nivou i polje zračenja u šupljini, a njihov rad karakterizira pobuđivanje radnog materijala i odgovarajući laserski izlaz na kontinuiran način tokom dužeg vremenskog perioda. Kontinuirani laseri mogu kontinuirano emitirati lasersku svjetlost tokom dužeg vremenskog perioda, ali je termalni efekat očigledniji.
Pulsni laseri se odnose na vremenski period u kojem se snaga lasera održava na određenoj vrijednosti, a laserska svjetlost se emituje diskontinuirano, s glavnim karakteristikama malog termalnog efekta i dobre upravljivosti.
④ Klasifikacija prema izlaznoj talasnoj dužini
Laseri se mogu klasificirati prema talasnoj dužini kao infracrveni laseri, vidljivi laseri, ultraljubičasti laseri, duboki ultraljubičasti laseri i tako dalje. Raspon talasnih dužina svjetlosti koju mogu apsorbovati različiti strukturirani materijali je različit, tako da su za finu obradu različitih materijala ili za različite scenarije primjene potrebni laseri različitih talasnih dužina.Infracrveni laseri i UV laseri su dva najčešće korištena lasera. Infracrveni laseri se uglavnom koriste u "termičkoj obradi", gdje se materijal na površini materijala zagrijava i isparava (isparava) kako bi se uklonio materijal; u obradi tankih filmova nemetalnih materijala, rezanju poluprovodničkih pločica, rezanju organskog stakla, bušenju, označavanju i drugim oblastima, visoka energija. U oblasti obrade tankih filmova nemetalnih materijala, rezanju poluprovodničkih pločica, rezanju organskog stakla, bušenju, označavanju itd., visokoenergetski UV fotoni direktno prekidaju molekularne veze na površini nemetalnih materijala, tako da se molekule mogu odvojiti od objekta, a ova metoda ne proizvodi visoku toplotnu reakciju, pa se obično naziva "hladna obrada".
Zbog visoke energije UV fotona, teško je generirati određeni kontinuirani UV laser velike snage pomoću vanjskog izvora pobude, pa se UV laser uglavnom generira primjenom metode konverzije frekvencije nelinearnog efekta kristalnog materijala, tako da se trenutno široko korišteno industrijsko područje UV lasera uglavnom sastoji od UV lasera u čvrstom stanju.
(4) Industrijski lanac
Uzvodni dio industrijskog lanca je upotreba poluprovodničkih sirovina, vrhunske opreme i srodnih proizvodnih dodataka za proizvodnju laserskih jezgara i optoelektronskih uređaja, što je temelj laserske industrije i ima visok prag pristupa. Srednji dio industrijskog lanca je upotreba uzvodnih laserskih čipova i optoelektronskih uređaja, modula, optičkih komponenti itd. kao izvora pumpe za proizvodnju i prodaju različitih lasera, uključujući direktne poluprovodničke lasere, lasere ugljikovog dioksida, lasere u čvrstom stanju, vlaknaste lasere itd.; nizvodna industrija se uglavnom odnosi na područja primjene različitih lasera, uključujući industrijsku opremu za obradu, LIDAR, optičke komunikacije, medicinsku ljepotu i druge industrije primjene.
①Uzvodni dobavljači
Sirovine za uzvodne proizvode kao što su poluprovodnički laserski čipovi, uređaji i moduli uglavnom su različiti materijali za čipove, vlaknasti materijali i obrađeni dijelovi, uključujući podloge, hladnjake, hemikalije i kućišta. Obrada čipova zahtijeva visok kvalitet i performanse uzvodnih sirovina, uglavnom od stranih dobavljača, ali stepen lokalizacije se postepeno povećava i postepeno postiže nezavisna kontrola. Performanse glavnih uzvodnih sirovina direktno utiču na kvalitet poluprovodničkih laserskih čipova, a kontinuirano poboljšanje performansi različitih materijala za čipove igra pozitivnu ulogu u unapređenju performansi proizvoda u industriji.
②Lanac srednjeg toka industrije
Poluprovodnički laserski čip je osnovni izvor svjetlosti pumpe različitih vrsta lasera u srednjem toku industrijskog lanca i igra pozitivnu ulogu u promovisanju razvoja srednjeg toka lasera. U oblasti srednjeg toka lasera, dominiraju Sjedinjene Američke Države, Njemačka i druga strana preduzeća, ali nakon brzog razvoja domaće laserske industrije posljednjih godina, srednje tržište industrijskog lanca postiglo je brzu domaću zamjenu.
③Nizvodni industrijski lanac
Prerađivačka industrija ima veću ulogu u promociji razvoja industrije, tako da će razvoj prerađivačke industrije direktno uticati na tržišni prostor industrije. Kontinuirani rast kineske ekonomije i pojava strateških prilika za ekonomsku transformaciju stvorili su bolje uslove za razvoj ove industrije. Kina se od zemlje proizvođača pretvara u proizvodnu silu, a prerađivački laseri i laserska oprema su jedan od ključeva za unapređenje prerađivačke industrije, što pruža dobro okruženje potražnje za dugoročno unapređenje ove industrije. Zahtjevi prerađivačke industrije za indeksom performansi poluprovodničkih laserskih čipova i njihovih uređaja rastu, a domaća preduzeća postepeno ulaze na tržište lasera velike snage sa tržišta lasera male snage, tako da industrija mora kontinuirano povećavati ulaganja u oblast istraživanja i razvoja tehnologije i nezavisnih inovacija.
2. status razvoja industrije poluprovodničkih lasera
Poluprovodnički laseri imaju najbolju efikasnost konverzije energije među svim vrstama lasera, s jedne strane, mogu se koristiti kao izvor pumpe za optičke vlaknaste lasere, lasere u čvrstom stanju i druge optičke lasere. S druge strane, s kontinuiranim probojem tehnologije poluprovodničkih lasera u smislu energetske efikasnosti, svjetline, vijeka trajanja, višetalasne dužine, brzine modulacije itd., poluprovodnički laseri se široko koriste u obradi materijala, medicini, optičkoj komunikaciji, optičkom senzorstvu, odbrani itd. Prema Laser Focus Worldu, ukupni globalni prihod od diodnih lasera, tj. poluprovodničkih lasera i nediodnih lasera, procjenjuje se na 18.480 miliona dolara u 2021. godini, pri čemu poluprovodnički laseri čine 43% ukupnog prihoda.
Prema Laser Focus Worldu, globalno tržište poluprovodničkih lasera će u 2020. godini dostići vrijednost od 6.724 miliona dolara, što je porast od 14,20% u odnosu na prethodnu godinu. S razvojem globalne inteligencije, rastućom potražnjom za laserima u pametnim uređajima, potrošačkoj elektronici, novoj energiji i drugim oblastima, kao i kontinuiranim širenjem medicinske, kozmetičke opreme i drugih novih primjena, poluprovodnički laseri se mogu koristiti kao izvor pumpe za optičke pumpne lasere, a veličina njihovog tržišta će nastaviti održavati stabilan rast. Veličina globalnog tržišta poluprovodničkih lasera u 2021. godini iznosila je 7,946 milijardi dolara, a stopa rasta tržišta iznosila je 18,18%.
Zajedničkim naporima tehničkih stručnjaka, preduzeća i praktičara, kineska industrija poluprovodničkih lasera postigla je izvanredan razvoj, tako da je prošla kroz proces od nule i predstavljala početak prototipa kineske industrije poluprovodničkih lasera. Posljednjih godina Kina je povećala razvoj laserske industrije, a različite regije su posvećene naučnim istraživanjima, unapređenju tehnologije, razvoju tržišta i izgradnji laserskih industrijskih parkova pod vodstvom vlade i u saradnji sa laserskim preduzećima.
3. Budući trend razvoja kineske laserske industrije
U poređenju sa razvijenim zemljama Evrope i Sjedinjenih Američkih Država, kineska laserska tehnologija ne kasni, ali u primjeni laserske tehnologije i vrhunske tehnologije jezgara i dalje postoji značajan jaz, posebno uzvodni poluprovodnički laserski čip i ostale ključne komponente i dalje zavise od uvoza.
Razvijene zemlje, koje predstavljaju Sjedinjene Američke Države, Njemačka i Japan, u osnovi su završile zamjenu tradicionalne proizvodne tehnologije u nekim velikim industrijskim oblastima i ušle u eru "lake proizvodnje"; iako je razvoj laserskih primjena u Kini brz, stopa penetracije primjene je i dalje relativno niska. Kao osnovna tehnologija industrijske modernizacije, laserska industrija će i dalje biti ključno područje nacionalne podrške i nastaviti širiti opseg primjene, te će u konačnici promovirati kinesku proizvodnu industriju u eru "lake proizvodnje". Iz trenutne razvojne situacije, razvoj kineske laserske industrije pokazuje sljedeće trendove.
(1) Poluprovodnički laserski čip i druge ključne komponente postepeno ostvaruju lokalizaciju
Uzmimo za primjer vlaknasti laser. Izvor pumpe za vlaknasti laser velike snage je glavno područje primjene poluprovodničkih lasera, a čip i modul poluprovodničkog lasera velike snage su važna komponenta vlaknastog lasera. Posljednjih godina, kineska industrija optičkih vlaknastih lasera je u fazi brzog rasta, a stepen lokalizacije se povećava iz godine u godinu.
Što se tiče tržišne penetracije, na tržištu vlaknastih lasera male snage, tržišni udio domaćih lasera dostigao je 99,01% u 2019. godini; na tržištu vlaknastih lasera srednje snage, stopa penetracije domaćih lasera održava se na više od 50% u posljednjih nekoliko godina; proces lokalizacije vlaknastih lasera velike snage također postepeno napreduje, od 2013. do 2019. godine dostigao je "od nule". Proces lokalizacije vlaknastih lasera velike snage također postepeno napreduje, od 2013. do 2019. godine dostigao je stopu penetracije od 55,56%, a očekuje se da će domaća stopa penetracije vlaknastih lasera velike snage biti 57,58% u 2020. godini.
Međutim, osnovne komponente poput visokosnažnih poluprovodničkih laserskih čipova i dalje zavise od uvoza, a uzvodne komponente lasera s poluprovodničkim laserskim čipovima kao jezgrom se postepeno lokalizuju, što s jedne strane poboljšava tržišnu skalu uzvodnih komponenti domaćih lasera, a s druge strane, lokalizacijom uzvodnih osnovnih komponenti može poboljšati sposobnost domaćih proizvođača lasera da učestvuju u međunarodnoj konkurenciji.
(2) Laserske primjene prodiru brže i šire
Postepenom lokalizacijom osnovnih optoelektronskih komponenti i postepenim smanjenjem troškova primjene lasera, laseri će dublje prodrijeti u mnoge industrije.
S jedne strane, za Kinu, laserska obrada također spada među deset najvažnijih područja primjene u kineskoj prerađivačkoj industriji, te se očekuje da će se područja primjene laserske obrade dodatno proširiti, a tržišna skala dodatno proširiti u budućnosti. S druge strane, s kontinuiranom popularizacijom i razvojem tehnologija kao što su sistemi bez vozača, napredni sistemi potpomognute vožnje, roboti orijentirani na usluge, 3D senzori itd., naći će veću primjenu u mnogim oblastima kao što su automobilska industrija, umjetna inteligencija, potrošačka elektronika, prepoznavanje lica, optička komunikacija i istraživanje nacionalne odbrane. Kao osnovni uređaj ili komponenta gore navedenih laserskih primjena, poluprovodnički laser će također dobiti prostor za brzi razvoj.
(3) Veća snaga, bolji kvalitet snopa, kraća talasna dužina i brži razvoj frekvencijskog pravca
U oblasti industrijskih lasera, vlaknasti laseri su od svog uvođenja ostvarili veliki napredak u pogledu izlazne snage, kvaliteta snopa i svjetline. Međutim, veća snaga može poboljšati brzinu obrade, optimizirati kvalitet obrade i proširiti polje obrade na tešku industriju. U automobilskoj proizvodnji, vazduhoplovnoj proizvodnji, energetici, proizvodnji mašina, metalurgiji, izgradnji željezničkog transporta, naučnim istraživanjima i drugim oblastima primjene u rezanju, zavarivanju, obradi površina itd., zahtjevi za snagom vlaknastih lasera nastavljaju da rastu. Proizvođači odgovarajućih uređaja moraju kontinuirano poboljšavati performanse osnovnih uređaja (kao što su visokosnažni poluprovodnički laserski čipovi i optička vlakna sa pojačanjem). Povećanje snage vlaknastih lasera također zahtijeva naprednu tehnologiju laserske modulacije kao što je kombinovanje snopa i sinteza snage, što će donijeti nove zahtjeve i izazove proizvođačima visokosnažnih poluprovodničkih laserskih čipova. Pored toga, kraće talasne dužine, više talasnih dužina, brži (ultrabrzi) razvoj lasera također je važan smjer, a uglavnom se koristi u integrisanim čipovima, displejima, potrošačkoj elektronici, vazduhoplovstvu i drugim preciznim mikroprocesorskim procesima, kao i u naukama o životu, medicini, senzorskim i drugim oblastima, a poluprovodnički laserski čip također postavlja nove zahtjeve.
(4) daljnji rast potražnje za laserskim optoelektronskim komponentama velike snage
Razvoj i industrijalizacija visokosnažnih vlaknastih lasera rezultat je sinergijskog napretka industrijskog lanca, koji zahtijeva podršku osnovnih optoelektronskih komponenti kao što su izvor pumpe, izolator, koncentrator snopa itd. Optoelektronske komponente koje se koriste u visokosnažnim vlaknastim laserima osnova su i ključne komponente njegovog razvoja i proizvodnje, a rastuće tržište visokosnažnih vlaknastih lasera također potiče tržišnu potražnju za osnovnim komponentama kao što su visokosnažni poluprovodnički laserski čipovi. Istovremeno, s kontinuiranim poboljšanjem domaće tehnologije vlaknastih lasera, supstitucija uvoza postala je neizbježan trend, a udio lasera na svjetskom tržištu će se nastaviti poboljšavati, što također donosi velike prilike za lokalnu snagu proizvođača optoelektronskih komponenti.
Vrijeme objave: 07.03.2023.
